JPH0676063A - 画像相関器 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 非常に多くの画素を有する画像のパターンマ
ッチング演算を高速に実行する。 【構成】 入力画像１２を入力するためのＳＬＭ１３
と、画像の重ね合わせ方を指定する点光源アレイ１１
と、点光源アレイ１１から出射した光をＳＬＭ１３に異
なる角度で入射する平面波に変換する球面凸レンズ９
と、ＳＬＭ１３から異なる角度で出射した複数の平面波
をその出射角度に応じた位置で、互いに重ならないよう
に多重結像させる球面凸レンズ１０および球面凸レンズ
アレイ１４と、出射方向に応じた位置で多重に結像され
た像それぞれについて、その結像位置に対応するシフト
量だけ像をずらせて結像させる球面凸レンズアレイ１５
および球面凸レンズ１６とを設ける。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、非常に多くの画素を
有する画像のパターンマッチング演算を高速に実行する
画像相関器に関する。

【０００２】

【従来の技術】画像から特定のパターンを抽出する演算
を画像のパターンマッチング演算といい、この演算を実
行する装置を画像相関器という。ここで、図３に画像の
パターンマッチング演算の一例を示す。入力画像から抽
出すべき２次元パターンをテンプレートといい、図３に
示す例においては、入力画像から２つのテンプレートが
抽出されている。

【０００３】次に、図４に画像のパターンマッチング演
算を光学的に実行する手法の一例を示す。図４において
は、情報の表現として負論理を用いている。すなわち、
論理値０が明状態（光強度がある状態）を意味し、論理
値１が暗状態（光強度がない状態）を意味している。画
像のパターンマッチング演算は、入力画像をシフトして
重ね合わせた後、閾値処理を施すことにより、光学的に
実行される。画像のシフト方向、シフト量および重ね合
わせる画素数は、テンプレートによって決定される。図
４に示す例においては、元の画像と、図中右にシフトし
た画像および図中上にシフトした画像の計３枚の画像を
重ね合わせることにより、図中下部に示すテンプレート
が抽出される。

【０００４】また、閾値処理は、光強度がない場合に論
理値１を出力し、その他の場合に論理値０を出力する処
理である。このような閾値処理は、光非線形媒質や光半
導体素子の非線形性を利用することにより、実現するこ
とができる。いっぽう、画像のシフトおよび重ね合わせ
処理に関しては、レンズアレイによる多重結像光学系に
より、実現することができる。

【０００５】次に、図５に従来の画像のシフトおよび重
ね合わせ処理を行う画像シフト重ね合わせ光学系の構成
例を示す。図において、１は焦点距離ｆ１の球面凸レン
ズ、２は球面凸レンズ１の前側焦点面上に設けられた入
力画像、３は焦点距離ｆ２の球面凸レンズアレイ、４は
透過形の空間光変調器（ＳＬＭ：たとえば、強誘電性液
晶ＳＬＭ）によって構成されたシャッタアレイであり、
レンズアレイ３の後側焦点面上に設けられ、重ね合わせ
る画像を選択する。

【０００６】また、５は焦点距離ｆ３の球面凸レンズア
レイ、６は焦点距離ｆ４の球面凸レンズ、７は球面凸レ
ンズ６の後側焦点面８上に得られた出力画像である。こ
の球面凸レンズ６の後側焦点面８上には、通常、上述し
た閾値処理を行う閾値デバイスが設けられる。以上説明
したように、球面凸レンズ１および６並びに球面凸レン
ズアレイ３および５は、８ｆ系を構成するように配置さ
れている。なお、図４において、破線は照明光線を示し
ている。

【０００７】このような構成において、シフトされた画
像は、シャッタアレイ４と球面凸レンズアレイ５との距
離を、球面凸レンズアレイ５の焦点距離ｆ３よりも僅か
な距離ｄだけずらせることにより得られる。ここで、球
面凸レンズ１および６並びに球面凸レンズアレイ３およ
び５のオフセット量をＸとすると、球面凸レンズ６の後
側焦点面８上に得られた出力画像７の、光軸方向へのシ
フト量Δｚおよび光軸に垂直な方向へのシフト量Δｘ
は、それぞれ（１）式および（２）式で表される。 Δｚ＝−ｆ４²／ｆ３²・ｄ……（１） Δｘ＝ｆ４／ｆ３²・Ｘ・ｄ……（２）

【０００８】（１）式からわかるように、シフト量Δｚ
は、オフセット量Ｘに無関係である。したがって、球面
凸レンズアレイ３および５の異なるレンズを通過した像
は、球面凸レンズ６の正規の後側焦点面から光軸方向に
Δｚだけずれた同一の後側焦点面８上に結像する。ま
た、（２）式は、球面凸レンズアレイ３および５の各レ
ンズを通過した像の、球面凸レンズ６の後側焦点面８上
の結像位置が、球面凸レンズアレイ３および５のオフセ
ット量Ｘに比例した量だけシフトして結像することを意
味している。

【０００９】したがって、距離ｄ、焦点距離ｆ３および
ｆ４並びにオフセット量Ｘを適当に設計することによ
り、所望のシフト量ΔｚおよびΔｘが得られる光学系を
設計することが可能である。なお、図５に示す画像シフ
ト重ね合わせ光学系の詳細については、J.Tanida et a
l.によって著されたOptics Letters Vol.16, No.8, p59
9-601,1991を参照されたい。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述した従
来の画像シフト重ね合わせ光学系においては、シャッタ
アレイ４の１つのシャッタのサイズが画像のサイズより
も大きくなければならない。すなわち、大面積のシャッ
タセルが必要である。このシャッタセルとしては、強誘
電性液晶や素子サイズの大きなＭＱＷ光変調素子が考え
られるが、いずれにしろ、大きなサイズの素子を高速で
駆動するためには、大きなエネルギが必要である。

【００１１】また、シャッタセルを駆動するのに要する
スイッチング時間についても、強誘電性液晶の場合、マ
イクロ秒オーダであり、ＭＱＷ光変調素子の場合、素子
のＣＲ積による制限から１００ナノ秒オーダが限界であ
り、それ以上のスイッチング時間は、原理的に不可能で
ある。この発明は、このような背景の下になされたもの
で、非常に多くの画素を有する画像のパターンマッチン
グ演算を高速に実行することができる画像相関器を提供
することを目的とする。

【００１２】

【課題を解決するための手段】この発明による画像相関
器は、入力画像を入力するための空間光変調素子と、画
像の重ね合わせ方を指定する点光源アレイと、該点光源
アレイから出射した光を前記空間光変調素子に異なる角
度で入射する平面波に変換する第１の光学系と、前記空
間光変調素子から異なる角度で出射した複数の平面波を
その出射角度に応じた位置で、互いに重ならないように
多重結像させる第２の光学系と、出射方向に応じた位置
で多重に結像された像それぞれについて、その結像位置
に対応するシフト量だけ像をずらせて結像させる第３の
光学系とを具備することを特徴としている。

【００１３】

【作用】上記構成によれば、入力画像は、点光源アレイ
の点灯パターンを切り換えることにより、必要なシフト
量を有する画像のみが選択され、出力面上に重ね合わさ
れて出力される。

【００１４】

【実施例】以下、図面を参照して、この発明の実施例に
ついて説明する。図１はこの発明の第１実施例による画
像相関器に用いられる画像シフト重ね合わせ光学系の構
成を示す概略図であり、この図において、９および１０
はそれぞれ焦点距離ｆ１の球面凸レンズ、１１は面発光
レーザアレイ等、レーザをアレイ状に配置したものによ
って構成された点光源アレイであり、球面凸レンズ９の
前側焦点面上に設けられ、重ね合わせる画像を選択す
る。

【００１５】また、１２は球面凸レンズ１０の前側焦点
面上に設けられた入力画像、１３は入力画像１２を表示
するための透過形の空間光変調器（ＳＬＭ）であり、た
とえば、強誘電性液晶ＳＬＭによって構成されている。
１４は焦点距離ｆ２の球面凸レンズアレイ、１５は焦点
距離ｆ３の球面凸レンズアレイ、１６は焦点距離ｆ４の
球面凸レンズである。さらに、１７は球面凸レンズ１６
の後側焦点面１８上に得られた出力画像である。この球
面凸レンズ１６の後側焦点面１８上には、通常、上述し
た閾値処理を行う閾値デバイスが設けられる。以上説明
したように、球面凸レンズ９、１０および１６並びに球
面凸レンズアレイ１４および１５は、アフォーカル系を
構成するように配置されている。なお、図１において、
破線は照明光線を示している。

【００１６】このような構成において、シフトされた画
像は、球面凸レンズアレイ１４と球面凸レンズアレイ１
５との距離を、それぞれの球面凸レンズアレイ１４およ
び１５の焦点距離の和（ｆ２＋ｆ３）よりも僅かな距離
ｄだけずらせることにより得られる。ここで、球面凸レ
ンズ９、１０および１６並びに球面凸レンズアレイ１４
および１５のオフセット量をＸとすると、球面凸レンズ
１６の後側焦点面１８上に得られた出力画像１７の、光
軸方向へのシフト量Δｚ’および光軸に垂直な方向への
シフト量Δｘ’は、それぞれ（３）式および（４）式で
表される。 Δｚ’＝−ｆ４²／ｆ３²・ｄ……（３） Δｘ’＝ｆ４／ｆ３²・Ｘ・ｄ……（４）

【００１７】（３）式からわかるように、シフト量Δ
ｚ’は、オフセット量Ｘに無関係である。したがって、
球面凸レンズアレイ１４および１５の異なるレンズを通
過した像は、球面凸レンズ１６の正規の後側焦点面から
光軸方向にΔｚ’だけずれた同一の後側焦点面１８上に
結像する。また、（４）式は、球面凸レンズアレイ１４
および１５の各レンズを通過した像の、球面凸レンズ１
６の後側焦点面１８上の結像位置が、球面凸レンズアレ
イ１４および１５のオフセット量Ｘに比例した量だけシ
フトして結像することを意味している。したがって、距
離ｄ、焦点距離ｆ３およびｆ４並びにオフセット量Ｘを
適当に設計することにより、所望のシフト量Δｚ’およ
びΔｘ’が得られる光学系を設計することが可能であ
る。

【００１８】次に、この発明の第２実施例について説明
する。図２はこの発明の第２実施例による画像相関器に
用いられる画像シフト重ね合わせ光学系の構成を示す概
略図であり、この図において、図１の各部に対応した部
分には同一の符号を付け、その説明を省略する。図２に
示す画像シフト重ね合わせ光学系おいては、図１に示す
透過形のＳＬＭ１３に代えて、反射形のＳＬＭ１９が新
たに設けられている。この反射形のＳＬＭ１９として
は、光アドレス形のＭＱＷ変調素子のアレイ等を用いる
ことができる。また、２０はビームスプリッタである。
このような構成において、球面凸レンズ９から出射した
光は、ビームスプリッタ２０により一旦反射された後、
反射形のＳＬＭ１９によって変調され、ビームスプリッ
タ２０を通過し、球面凸レンズ１０に入射する。なお、
その後の動作については、上述した第１実施例と同様で
あるので、その説明を省略する。

【００１９】

【発明の効果】以上説明したように、この発明によれ
ば、光の並列性、非干渉性を利用した画像のパターンマ
ッチングが可能であり、従来の電気回路によって構成さ
れた画像相関器では不可能な大規模な画像の高速画像相
関演算が可能となるという効果がある。また、この発明
においては、従来のように、シャッタアレイによって必
要な画像のみを選択する代わりに、点光源アレイの点灯
パターンを制御することにより必要な画像を選択するた
め、従来にように、スイッチィング時間の遅い強誘電性
液晶や素子サイズの大きなＭＱＷ変調素子の代わりに、
素子サイズの小さく、波長可変な面発光レーザを点光源
アレイとして利用することができ、超高速で画像スイッ
チングが可能であるという効果がある。したがって、非
常に多くの画素を有する画像のパターンマッチング演算
を高速に実行することができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】この発明の第１実施例による画像相関器に用い
られる画像シフト重ね合わせ光学系の構成を示す概略図
である。

【図２】この発明の第２実施例による画像相関器に用い
られる画像シフト重ね合わせ光学系の構成を示す概略図
である。

【図３】画像のパターンマッチング演算の一例を示す図
である。

【図４】画像のパターンマッチング演算を光学的に実行
する手法の一例を示す図である。

【図５】従来の画像シフト重ね合わせ光学系の構成例を
示す概略図である。

【符号の説明】

９ 球面凸レンズ（第１の光学系） １０ 球面凸レンズ（第２の光学系） １６ 球面凸レンズ（第３の光学系） １１ 点光源アレイ １２ 入力画像 １３，１９ ＳＬＭ １４ 球面凸レンズアレイ（第２の光学系） １５ 球面凸レンズアレイ（第３の光学系） １７ 出力画像 １８ 後側焦点面 ２０ ビームスプリッタ

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 画像を多重結像する画像相関器におい
   て、 入力画像を入力するための空間光変調素子と、 画像の重ね合わせ方を指定する点光源アレイと、 該点光源アレイから出射した光を前記空間光変調素子に
   異なる角度で入射する平面波に変換する第１の光学系
   と、 前記空間光変調素子から異なる角度で出射した複数の平
   面波をその出射角度に応じた位置で、互いに重ならない
   ように多重結像させる第２の光学系と、 出射方向に応じた位置で多重に結像された像それぞれに
   ついて、その結像位置に対応するシフト量だけ像をずら
   せて結像させる第３の光学系とを具備することを特徴と
   する画像相関器。